节能电机生产工艺

曾群

Key Technology in Manufacturing of Ultra High Efficiency Motor

Zeng Qun

Abstract:The ordinary methods of improving the motor efficiency and the key manufacturing technologies of reducing the motor loss were introduced.Bearing chamber rolling process improved the manufacturing precision of bearing housing parts.Automatic online processing of bearing lubricating grease controlled the lubricating grease steadily，reducing the mechanical loss.Rotor processing and cylindrical special processing could reduce the additional stray loss about 0.5% of motor.The annealing and oxidation processing of stator laminations reduced the iron loss，decreasing the processing fluctuation.

Key words: Energy conservation / motor / manufacturing / mechanical loss /iron loss.

摘 要: 介绍了提高电机效率的一般措施与降低电机损耗的关键制造技术。端盖轴承室滚压工艺可有效提高轴承室配合部位的加工精度。轴承润滑脂在线定量注脂技术稳定控制润滑脂的注入量，降低了机械耗。转子加工及外圆特殊处理工艺可平均降低电机附加杂散损耗约0.5%。定转子冲片的退火及氧化工艺降低了铁耗，有效减少工艺波动。

关键词: 节能、电机、生产、机械耗、铁耗

0 引 言

美国等国家及欧洲都制订了有关电机的能效标准，新的 IEC 60034- 30 标准将电机的效率分为IE1，IE2，IE3，IE4 共 4 级[ 1] 。目前，美国市场上已有 20% 以上电机达到 IE3 水平，并于 2010 年强制执行 IE3 效率等级标准。欧盟 能效新法规2015 年 1 月起实施，要求输出功率在7. 5 kW 以上的电机必须达到 IE3 能效等级。我国为鼓励高效电机推广使用， 开展了“节能产品惠民工程高效电机推广” 工作，财政补贴电机终端用户， 激发终端用户使用高效电机的积极性， 加速我国高效电机市场的发展。在高效电机的设计制造过程中， 不同的生产厂家有各自不同的方法。电机的结构及电磁方案一旦确定，影响电机效率的主要因素就确定， 若要在此基础上进一步提高电机效率， 将是一件很困难的事。能够进一步改善的有效方法就是制造过程的控制。因各制造厂设备状况、 工艺条件、 工艺装备等各异，电机各零部件的加工装配各有特色，

所采取的方法各不相同。简要介绍一般技术措施，并重点介绍超高效电机制造过程中的关键技术。

1 提高电机效率的一般措施

电机损耗包括定转子铜损耗、 铁损耗、 机械损耗、 杂散损耗等。降低电机损耗、 提高效率的方法很多，简要列举了设计措施，包括:

(1) 降低定子铜耗的措施， 主要包括减小定子电阻、 缩短绕组端部长度; 减薄绝缘， 提高槽满率、 增加导线截面积、 采用新材料降低电磁线的电阻率等;

(2) 降低转子铝耗的措施， 主要包括采用大截面积的转子槽形和加大端环截面、 提高铝的纯度、 降低转子电阻等;

(3) 降低铁耗的措施， 主要包括采用低损耗的优质冷轧硅钢片，减少电机的涡流损耗; 调整槽形，选用合理的磁通量密度， 减少基波铁损耗; 增加铁心长度，减少磁通量密度来降低损耗; 提高铁心制造质量，保证硅钢片表面的绝缘等措施;

(4) 降低机械耗的措施， 主要包括高效风扇结构及合理风路、 提高叶片表面粗糙度， 使风流畅通， 提高风扇的效率， 降低风摩耗; 选用优质低摩擦轴承、 润滑脂、 降低摩擦损耗; 提高形位公差精度， 保证电机整机装配质量， 降低摩擦损耗等;

(5) 降低杂散损耗措施， 主要包括定子槽采用多槽数，减少定、 转子槽口宽度， 铁心两端采用非导磁材料; 采用“正弦” 绕组以削弱磁场中的高次谐波，削弱附加损耗， 适当增加气隙， 转子采用少槽，采用磁性槽楔， 控制斜槽度， 采用特殊斜槽等措施[ 2] 。

2 降低电机损耗的关键制造技术

2. 1 降低机械耗的技术措施零部件尺寸采用中间公差及提高形位公差精度，保证零部件在运输、 装配时不变形， 同时保证电机整机装配质量， 从而降低摩擦损耗。生产经验表明，采用轴承室滚压工艺可有效提高轴承室配合部位的加工精度， 减少轴承运转精度带来的一系列问题; 采用轴承润滑脂的在线定量注油技术，可稳定地控制润滑脂的注入量，保证批量生产的高效电机机械耗稳定。

2. 1. 1 端盖轴承室滚压工艺

在高效电机零部件的制造过程中， 端盖轴承室是影响电机轴承正常运行状态的关键部位，其基本尺寸、 圆柱度、 粗糙度， 与电机的性能有直接 关 系 ( 包 括 机 械 耗、 噪 声、 轴 承 运 行 温 度等) 。常 规 的 车 削 加 工 方 法， 粗 糙 度 仅 能 达3. 2 μm， 保证圆柱度公差相当吃力; 另操作者加工习惯， 轴承室总往下差加工; 铸件内应力及装夹应力的影响， 端盖轴承室加工后应力释放变形， 造成轴承室尺寸超差。随机抽取的端盖测试情况如图 1 所示。

图 1 抽取的端盖测试情况

从图 1 可看出:

( 1) 轴承室加工后尺寸公差离散性较大， 不合格比例约 15% ;

( 2) 轴承室圆柱度基本在公差范围内， 但离散性较大;

( 3 ) 轴 承 室 粗 糙 度 不 合 格 比 例 较 大( 约 60% ) 。

为有效改善以上状况， 稳定端盖轴承室加工质量，购买了具有专利技术的高精内径滚压工具，并制定了相应的工艺技术措施， 在端盖轴承室精车后增加滚压工序。轴承室滚压在摇臂钻床进行，采用浮动装夹、 滚压余量 0. 02 ～ 0. 05 mm、 手动进给、 煤油润滑等[ 3] 。该工艺应用后， 尺寸精度、 形位公差及表面粗糙度均有大幅提高， 且质量稳定、 效率较高。图 2 是滚压工艺的应用效果。

图二 滚压后测量数据

数据对比结果:

( 1) 尺寸公差带压缩，尺寸稳定性提高;

( 2) 消除了不良习惯对工件精度的影响;

( 3) 轴承室圆柱度明显提高， 公差值进一步减小;

( 4) 粗糙度全部降低，高于图纸要求。

经过对高效电机的批量生产验证， 推广轴承室滚压工艺前生产的电机由于机械耗的影响，一次交试合格率低， 采取刮轴承室、 车内风扇、换润滑脂、 车甩油环等多种方法修理后才能合格。应用新工艺后， 电机一次交试合格率大幅

提高， 因机械耗偏大影响电机效率的情况减少，效果明显。

2. 1. 2 轴承润滑脂的在线定量注油技术

中小型电机的轴承普遍采用滚动轴承， 采用合适的优质润滑剂。传统的工艺方法是， 在轴承装配前在轴承内手工抹入润滑油脂， 然后装配轴承，最后利用油枪再次对电机加注润滑脂。这种手工加注油脂的方法存在的问题如下:

( 1) 涂抹量不易控制，对轴承部位润滑、 机械损耗都有影响;

( 2) 润滑油脂易受污染， 且手工抹入后电机零部件周围有油污;

( 3) 工序多，操作不便。

目前没有能够定量为电机注油的装置。为有效控制润滑脂的加入量，经过大量的技术验证， 确定应用自动注脂机、 油管、 快换接头等实现电机在线装配自动定量注油。该技术将注油机设置在电机装配线的下线处， 电机在装配过程中无须加注油脂，电机下线时将装配线自动定量注油装置的快换接头与电机注油管相连接， 起动注油机即可自动定量为电机加注油脂。自动定量注油装置如图 3 所示。此装置具有使用方便、 定量准确、 高效快捷的优点，目前在高效电机及其他电机中广泛应用，并获得国家实用新型专利。

图 3 在线装配自动定量注油装置

2. 2 降低杂散损耗的技术措施

转子外圆在电机生产厂家普遍采用车加工工艺。由于槽口铝条的影响， 车削交替从硬的硅钢片到软的铝，因机床精度较差，转子外圆加工后尺寸不稳定。如采用一刀车成加上部分转子外径加工余量较小，会使转子外径表面质量差、 毛刺大，或者转子表面片间粘连严重，导致电机杂耗大、 温升高、 效率低， 因此对转子外圆车加工工艺过程、参数、 质量检验标准等进行规范， 显得尤为重要。转子的磁场换向频率很低， 转子硅钢片自身产生的磁滞损耗和涡流损耗可以忽略， 杂耗主要来源于槽口部位铝导条与转子冲片外圆的导通形成的横向电流损耗， 需精车、 焙烧、 外圆特殊处理，增大转子外圆导条与冲片、 冲片与冲片之间的电阻， 减小横向电流引起的杂散损耗。通过分析，可在转子精车时推广应用新型刀具及工艺。大多生产厂家车转子外圆时使用 45°正偏刀，刃倾角为正值， 同样的切削参数情况下，该刀的轴向分力较大， 易使硅钢片倒片及粘连。

新工艺使用 93°正偏山特维克机夹刀， 因刀具的轴向分力较小，可减少硅钢片倒片及粘连， 能有效提高转子的表面加工质量。对转子外圆按粗、 精分开和一次车成两种方法进行加工后对比， 发现一刀车出的转子表面颜色发暗， 表面粗糙度也较差; 而粗、 精二次走刀车成的转子表面明亮， 表面粗糙度较好。只在精车时使用 93° 正偏机夹刀，并选择合适的切削参数对不同材料的硅钢片进行了刀具耐用度、 工件表面质量的验证，表明此方法能够获得较高的刀具耐用度和加工质量。新工艺转子外圆质量要求确定为: 在开口槽时， 以铝条与硅钢片之间是否有毛刺及表面粗糙度作为检验标准; 闭口槽，以表面粗糙度作为检验标准。应用新工艺后，从加工后表观质量看， 毛刺减少、 片间粘连得到有效控制， 表面粗糙度提高。在其他工艺条件没有大变化的情况下， 仅对比转子加工新工艺对电机杂耗的影响， 如图 4 所示。通过数据统计分析， 推广新工艺后杂耗占输入功率的比例呈下降趋势， 平均比例约 0. 1% [ 4] 。

图 4 应用新工艺后实测杂耗

为进一步提高转子外圆加工质量， 可推广应用转子外圆特殊处理工艺作为辅助的工艺措施。大量试验数据证明， 转子外圆经过特殊处理可降低杂散损耗，降低温升 5 ～ 20 K， 提高效率 0. 4% ，效果明显。转子外圆特殊处理依靠的是过程控制，溶液的配比、 加热温度控制、 处理方法等是影响最终产品性能的重要因素。具体操作就是利用气割枪火焰加热或加热炉， 将转子表面加热至约70 ℃ ，将配好的酸液均匀的在转子表面刷洗， 利用化学反应的方法将转子外圆加工毛刺、 积屑瘤等去除，降低电机运行时的附加损耗。转子外圆特殊处理的质量检验标准确定为 10 × 观察转子表面，应片间分明， 清晰可见， 不见毛刺倒入铝条内; 片间毛刺和积屑瘤明显消失，冲片的轮廓线清晰，不粘连; 转子表面应颜色均匀， 呈暗金属色。但该工艺对环境有一定的不利影响， 主要是酸液加热后的酸雾产生剧烈的刺激性， 对人身有一定的危害，因此需采取防护措施。转子用水冲洗后，需用一定浓度的碱水中和残留酸液， 符合国家对节能减排、 环境保护的要求。图 5 是对一批电机应用外圆特殊处理工艺前后实测杂耗对比。由图 5 可知， 大部分情况下转子外圆特殊处理后杂耗占输入功率有一定幅度的降低， 平均降低附加损耗 0. 4% 。

图 5 酸洗前后试验对比

综合以上情况， 采用高效电机的转子加工新工艺及外圆特殊处理技术， 可平均降低电机附加杂散损耗约 0. 5% 。

2. 3 降低铁耗的工艺措施

电机冲片用冷轧硅钢片经冲剪加工后， 沿冲剪分离线的边缘由于塑性变形引起了内部应力的积聚和物理性能的变化， 会导致冷轧硅钢片的导磁性能降低、 铁耗增加，这对充分利用冷轧硅钢片的优良导磁性能带来了不利因素。降低铁耗、 提高磁感应强度是高效电机设计制造的重要因素。恢复冷轧硅钢片在冲剪后的高导磁、 低损耗性能，消除冷轧硅钢片冲剪时因塑性变形引起的冲剪应力，可选择合适的退火处理工艺。试验结果表明，冷轧硅钢板退火后，铁损比退火前有明显降低， 降低幅度超过 15% ， 导磁性能也有提高， 是高效电机生产中降低铁耗的重要工艺措施。氧化工艺也能经济、 方便地应用于高效电机的定转子冲片制造中。将冲片置于氧化炉中， 加热至 550 ～ 580 ℃ 时， 通入氧化剂、 经过规定条件的氧化处理后， 在冲片表面生成一层均匀牢固的具有良好绝缘性能的薄膜。其特点: 氧化膜导磁传热，有利于降低电机温升; 氧化处理后冲片退火

及氧化膜能减少涡流损耗，有利于降低电机铁耗;氧化的冲片有利于提高铁心装压系数和槽形整齐度; 与涂漆工艺比较， 氧化膜耐高温性能优于涂漆; 氧化工艺能减少工人劳动量， 无绝缘漆消耗，有利于降低制造成本。实践证明， 氧化工艺对降低电机铁耗有比较明显的效果。

3 结 语

介绍了提高电机效率的一般措施。高精内径滚压工具在端盖轴承室精车后增加滚压工序， 轴承室滚压在摇臂钻床进行， 该工艺应用后尺寸精度、 形位公差及表面粗糙度均有大幅提高，且质量稳定、 效率较高。自动注脂机、 油管、 快换接头等实现电机在线装配自动定量注油， 此技术具有使用方便、 定量准确、 高效快捷的优点。采用高效电机的转子加工新工艺及外圆特殊处理技术， 可以

平均降低电机附加杂散损耗约 0. 5% 。氧化工艺能减少工人劳动量，无绝缘漆消耗，有利于降低制造成本。这些措施能够降低损耗，稳定工序质量，有效减少工艺波动， 为高效电机的批量生产提供有力技术支持。